优质课件--第2节《基因工程及其应用》

转入人胰岛素基因的大肠杆菌问题探讨图中可不是普通的细菌，它是“嫁接”了人胰岛素基因的工程菌。虽然看起来与普通细菌没有什么不同，但它能大量合成人胰岛素，用来治疗糖尿病，使胰岛素的生产成本大大降低。1、为什么能把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上？2、这种“嫁接”对品种的改良有什么意义？3、推测这种“嫁接”怎样能实现？①不同生物的DNA在空间结构上一致②几乎所有的生物都共用一套遗传密码可定向改造生物尽管作物和家畜的育种自使前开始一直延续至今，但是，传统育种的方法一般只能在同种生物中进行，很难将一种生物的优良性状，移植到另一种生物身上。基因工程的出现使人类有可能按照自己的意愿直接定向地改变生物，培育出新品种。一、基因工程的原理基因工程，又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。通俗地说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。小结原理操作环境操作水平结果定向地改造生物的遗传性状，获得人类所需要的品种。DNA分子水平生物体外基因重组家蚕能够吐出蚕丝为人类利用能否让细菌“吐出”蚕丝？设想思考：要把家蚕的合成蚕丝蛋白的基因“嫁接”到细菌上，关键步骤是什么？关键步骤一：怎样提取合成蚕丝蛋白的基因？关键步骤二：怎样将基因运输到细菌体内？关键步骤三：怎样将基因与运载工具连接起来？基因的剪刀——限制性内切酶基因的针线——DNA连接酶基因的运载工具——基因的运载体二、基因操作的工具基因的剪刀——限制性核酸内切酶基因的针线——DNA连接酶基因的运载工具——运载体1、基因的剪刀——限制性核酸内切酶（简称限制酶）（1）存在：限制酶是在生物体(主要是微生物)内的一种酶，能将外来的DNA切断，这种切割作用是在DNA分子内部进行的。观察各限制酶识别并作用的核苷酸序列，看看它有何特点？（2）特点：①只能识别一种特定的核苷酸序列②只能在特定的位点上切割DNA分子黏性末端例：大肠杆菌中的一种限制酶(EcoRⅠ)能识别GAATTC序列，并在G和A之间切开。EcoRⅠ(3)限制酶切割的是什么化学键？磷酸二酯键（注意与解旋酶的区别）被限制酶切开的DNA两条单链的切口，带有几个伸出的核苷酸，它们之间正好互补配对，这样的切口叫黏性末端。思考：如果把两种来源不同的DNA用同一种限制酶来切割，会怎样呢？会产生相同的黏性末端，然后让两者的黏性末端黏合起来，似乎就可以合成重组的DNA分子了。GAATTCCTTAAGGAATTCCTTAAGGCTTAAAATTCGGCTTAAAATTCGGCTTAAAATTCG用同种限制酶切割2、基因的针线——DNA连接酶连接位置：磷酸与脱氧核糖间的化学键—磷酸二酯键两种来源不同的DNA用同种限制酶切割后，末端可以相互黏合，但是，这种黏合只能使互补的碱基连接起来，脱氧核糖和磷酸交替连接而构成DNA骨架上的缺口，需要靠DNA连接酶来“缝合”。两DNA片段要具有互补的黏性末端才能拼起来DNA连接酶的缝合作用DNA连接酶与DNA聚合酶比较①作用对象：DNA连接酶是在两个DNA片段之间;DNA聚合酶是在单个脱氧核苷酸与DNA片段之间。②作用条件：DNA连接酶不需要模板；DNA聚合酶需要模板（以DNA的一条链为模板）相同点：都形成磷酸二酯键；化学本质均为蛋白质。思考：DNA连接酶与DNA聚合酶有什么不一样？要让一个从甲生物细胞内取出来的基因(如抗虫基因),送入受体细胞(如棉细胞),还需要有专门的运输工具,这就是运载体。3、基因的运输工具——运载体常用的运载体：质粒、噬菌体和动植物病毒思考：运载体的作用有哪些？作用一：作为运载工具，将外源基因(抗虫基因)转移到受体细胞(棉花细胞)中去。作用二：利用运载体在受体细胞(棉花细胞)内，对外源基因(抗虫基因)进行大量复制。(2)能在宿主细胞中复制并稳定保存；(1)具有多个限制酶的切点，便于与外源基因连接；（用切割目的基因的同一种限制酶切割运载体，以获得相同的黏性末端）(3)具有某些标记基因，便于筛选成功导入的受体细胞。如抗菌素的抗性基因、产物具有颜色反应的基因等。思考：作为运载体必须具备哪些条件？•质粒：质粒是基因工程最常用的运载体。质粒存在于细菌、酵母菌等生物中，是细胞拟核或细胞核外能够进行自主复制的很小的环状DNA分子。质粒的特点1、细胞染色体（或拟核DNA分子）外能自主复制的小型环状DNA分子；2、质粒的存在对宿主细胞无影响；3、质粒的复制只能在宿主细胞内完成。1.以下说法正确的是（）A、所有的限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列B、质粒是基因工程中唯一的运载体C、运载体必须具备的条件之一是：具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接D、DNA连接酶使黏性末段的碱基之间形成氢键C练习2.不属于质粒被选为基因运载体的理由是A、能复制（）B、有多个限制酶切点C、具有标记基因D、它是环状DNAD练习3.有关基因工程的叙述中，错误的是（）A、基因工程技术能定向地改造生物的遗传性状，培育生物新品种B、重组DNA的形成在细胞内完成C、目的基因须由运载体导入受体细胞D、质粒都可作为运载体BD练习1)提取目的基因2)目的基因与运载体结合3)目的基因导入受体细胞4)目的基因的检测和表达三、基因工程的步骤1、获取目的基因基因工程的第一步，是取得人们所需要的特定基因，也就是目的基因如抗虫基因，抗病基因、种子的贮存蛋白基因，以及人的胰岛素基因、干扰素基因等都是目的基因。要获得目的基因，主要有两条途径：一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因，另一条是人工合成基因。2、目的基因与运载体结合用与提取目的基因相同的限制酶切割质粒使之出现一个切口，将目的基因插入切口处，让目的基因的黏性末端与切口上的黏性末端互补配对后，在连接酶的作用下连接形成重组DNA分子。细菌供体细胞取出质粒取出DNA用限制酶切断DNA用连接酶连接目的基因3、将目的基因导入受体细胞将重组DNA导入受体细胞扩增（1）受体细胞常选用微生物，繁殖快（2）培育转基因动物时，受体细胞一般选用受精卵；（3）培育转基因植物时，受体细胞可选用受精卵或其他体细胞1、当受体细胞为微生物细胞时，经常用CaCl处理细胞，增大细胞壁的通透性，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，即感受态细胞。2、当受体细胞为双子叶植物细胞时，最常用的就是农杆菌转化法。3、当受体细胞为单子叶植物细胞时，常用基因枪法。4、当受体细胞为动物细胞时，最常用的方法是显微注射法。4、目的基因的表达和检测大量的受体细胞接受不多的目的基因。处理的受体细胞中真正摄入了目的基因的很少，必须将它从中检测出来。根据受体细胞是否具有某些标记基因，判断目的基因是否导入。将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，保留有表达产物的进一步培养、研究。无表达产物无表达产物有表达产物无表达产物从细胞中分离出DNA从大肠杆菌中提取质粒限制酶提取目的基因限制酶目的基因与运载体结合DNA连接酶目的基因导入受体细胞目的基因的检测与鉴定基因工程操作的基本步骤１、基因工程与作物育种1993年，中国农业科学院的科学家成功地培育出了抗棉铃虫的转基因抗虫棉，抗虫的基因来自苏云金杆菌。苏云金杆菌形成的伴胞晶体是一种毒性很强的蛋白质晶体，能使棉铃虫等鳞翅目害虫瘫痪致死。科学家将编码这个蛋白质的基因导入作物，使作物自身具有抵御虫害的能力。四、基因工程的应用生长快、肉质好的转基因鱼(中国)乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基因的番茄2、基因工程与药物研制我国生产的部分基因工程疫苗和药物许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！使其价格降低了30%-50%!3、环境保护基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。4、转基因生物和转基因食品的安全性当人类拥有了只有大自然才拥有的改造生物、创造生物的能力时，也感到了不安与困惑。人类是否有权按照自已的意愿操纵地球上的生命？人类创造的转基因生物、转基因食品是否会危害整个生物圈，包括人类自身？转基因生物：转基因食品安全吗？转基因植物的安全性争论•支持派认为：如果转基因农业生物技术得不到社会支持，这一研究将被扼杀，并且强调，迄今为止并没有发现转基因食品危害人体健康和环境的确切证据。•美国人食用转基因食品已多年，超级市场上有4000多种商品是含有转基因植物成分的，还没有事例证明人吃了以后会得病，甚至会引起死亡。加拿大、澳大利亚也是转基因食品的生产大国，均有几千万人在吃，到现在为止也没有—个案例说明它有问题。反对派的观点•一英国科学家声称，转基因马铃薯会减弱老鼠免疫系统功能；•美国康乃尔大学也发现，转基因玉米会危害蝴蝶幼虫及其相关生态环境。•环保团体认为这种违反自然的转基因作物及产品，未经长期安全测试，长期食用可能对人类及生态环境造成负面影响。•尤其是注重环境和生态保护的欧盟国家，对转基因作物更加排斥，因而抵制美国GMO产品的进口。我国政策法规•2001年5月，国务院公布的《农业转基因生物安全管理条例》规定，不得销售未标识的农业转基因生物，其标识应注明产品中含有转基因成分的主要原料名称；有特殊销售范围的还应注明并在指定范围内销售。练习：⒈要使目的基因与对应的载体重组，所需的两种酶是（）①限制酶②连接酶③解旋酶④还原酶Ａ．①②Ｂ．③④Ｃ．①④Ｄ．②③Ａ⒉实施基因工程的第一步的一种方法是把所需的基因从供体细胞内分离出来，这要利用限制性内切酶。一种限制性内切酶能识别ＤＮＡ分子的ＧＡＡＴＴＣ顺序，切点在Ｇ和Ａ之间，这是利用了酶的（）Ａ．高效性Ｂ．专一性Ｃ．多样性Ｄ．催化活性易受外界影响Ｂ⒊基因工程的正确操作步骤是（）①使目的基因与运载体结合②将目的基因导入受体细胞③检测目的基因的表达是否符合特定性状要求④提取目的基因Ａ．③②④①Ｂ．②④①③Ｃ．④①②③Ｄ．③④①②Ｃ⒋采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的作法正确的是（）①将毒素蛋白注射到棉受精卵中②将编码毒素蛋白的ＤＮＡ序列，注射到棉受精卵中③将编码毒素蛋白的ＤＮＡ序列，与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，在进行组织培养④将编码毒素蛋白的ＤＮＡ序列，与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵中Ａ．①②Ｂ．②③Ｃ．③④Ｄ．④①Ｃ5．下表关于基因工程中有关基因操作的名词及对应的内容，正确的组合是（）C